Título:
Hidrologia Agrícola
Editores: Shakib Shahidian
Rita Cabral Guimarães
Carlos Miranda Rodrigues
Primeira Edição
ISBN: 978-989-97060-4-0
Depósito Legal: 353505/13
Uma edição conjunta:
Escola de Ciência e Tecnologia da Universidade de Évora
e
ICAAM - Instituto de Ciências Agrárias e Ambientais Mediterrânicas
Instituto de Ciências Agrárias e Ambientais Mediterrânicas (ICAAM)
Escola de Ciência e Tecnologia da Universidade de Évora
Universidade de Évora
Núcleo da Mitra
Apartado 94
7002-774 Évora
© 2012 Os autores
Edição electrónica: Ana Martelo
Impresso pela Publidisa
Novembro 2012
Hidrologia
Agrícola
Shakib Shahidian
Rita Cabral Guimarães
Carlos Miranda Rodrigues
António Chambel
Carlos A. Alexandre
Francisco L. Santos
Gottlieb Basch
José A. Andrade
Renato Coelho
PREFÁCIO
Uma disciplina de Hidrologia é naturalmente tão fundamental como a
água, que é o seu objeto de estudo e conhecimento. Impunha-se, no curso
de Agronomia, o estudo profundo, tanto quanto possível, desta ciência,
naturalmente na medida em que o agrónomo precisa de conhecer e
perceber o ciclo hidrológico, pois nele tem de intervir a cada passo da sua
atividade, na mesma medida de essencialidade em que as plantas usam a
água e são elas próprias parte do mesmo ciclo. Chamou-se a esta unidade
curricular Hidrologia Agrícola, para a situar no plano da formação
agronómica indispensável.
De facto, é indispensável a qualquer agrónomo perceber bem o papel da
água nas funções fisiológicas das plantas, percebendo o papel das plantas
no ciclo hidrológico. Só percebendo, com profundidade científica, os
fenómenos e o seu enquadramento natural, as suas causas e os seus
efeitos, será o técnico capaz de fazer as escolhas fundamentais, de decidir
as opções convenientes de gestão dos recursos e fatores de produção, das
atividades a desenvolver e das oportunidades para as promover,
contribuindo assim para a sustentabilidade – ambiental e económica - da
atividade agrícola.
Em boa hora, pois, foi esta disciplina inserida no novo curso de
Agronomia da Universidade de Évora, na reformulação curricular
decorrente da implementação do processo de Bolonha. Terão pois os
responsáveis pela referida reformulação curricular entendido bem – pelo
menos no caso da presente disciplina – a necessidade de o conhecimento
tecnológico ser cientificamente fundamentado, não se promovendo a
aplicação empírica de soluções tabeladas ou padronizadas para os
problemas agronómicos. De facto, tendo o processo de Bolonha reduzido
a 3 anos o ciclo inicial de formação superior, em quase todos os domínios
da formação, tecnológica ou não, é grande a tentação de considerar, para
essa formação mais curta, os mesmos objetivos curriculares das antigas
formações longas, de cinco ou seis anos. É um erro grosseiro, que a
Universidade não pode cometer. Por outro lado, não competem à
Universidade, em cursos de 1º ciclo, formações aplicativas de natureza
politécnica, em que os temas e os problemas são conhecidos de forma
essencialmente parcial e as soluções que se lhes apontam, de caráter
aplicativo imediato, se fundamentarão mais num conhecimento empírico
que num enquadramento científico. Por mais aliciante e útil que seja
(como se reconhece que é) esta formação politécnica, ela é da
responsabilidade do ensino politécnico. À Universidade cabe um papel e
uma responsabilidade substancialmente diferentes: proporcionar aos seus
alunos as competências para, compreendendo os problemas no seu
enquadramento global, fundamentando-os cientificamente, lhes procurar
soluções otimizadas e inovadoras, num processo que engloba não só o
projeto dos sistemas de produção, mas também a promoção de decisões e
soluções de desenvolvimento. Para cumprir este seu papel essencial, a
Universidade deve proporcionar aos seus alunos, desde o 1º ciclo, hábitos
de rigor conceptual e percetivo, de pensamento cientificamente
estruturado e informado, que conferem a competência para o
desenvolvimento de soluções sustentáveis para os problemas
tecnológicos.
É neste caminho que a disciplina de Hidrologia Agrícola se estruturou. O
presente texto, em 9 capítulos elaborados pelos professores que os têm
lecionado, é uma concretização evidente dos objetivos definidos para esta
unidade curricular. Ele facilitará ao estudante a aquisição de
conhecimentos e competências que são bases para a gestão da água na
Agricultura, facilitando também a ligação a outras disciplinas, em especial
a de Recursos Hídricos e Regadio, que é sequente no plano de estudos do
curso, mas também às optativas Sistemas e Equipamentos de Rega e
Drenagem e Conservação do Solo e da Água - que de alguma forma
continuam, aplicam e complementam a Hidrologia Agrícola. Deve no
entanto sublinhar-se aqui que o interesse desta unidade curricular
transcende a formação imediata de 1ºciclo, em que se insere, para conferir
conhecimentos científicos e competências para a atividade agronómica
mais vasta.
Este programa abrange o conhecimento geral do ciclo da água, incluindo
o balanço hídrico do solo, e a caraterização da bacia hidrográfica,
unidade geomorfológica da gestão dos recursos hídricos. Por se tratar de
um programa da Hidrologia Agrícola, dá-se grande relevo a aspetos do
clima, aos fatores da sua formação e à sua classificação, salientando-se a
dependência que a agricultura tem em relação ao clima e, no sentido
contrário, os impactos que as atividades humanas, nomeadamente as
agrícolas, têm sobre o clima. Estudam-se depois, individualmente, os
componentes hidrológicos fundamentais – a precipitação, o escoamento
superficial e subterrâneo, a evaporação e a evapotranspiração –
elementos para a quantificação numérica dos recursos hídricos e a
avaliação da sua disponibilidade, nomeadamente para a Agricultura.
Complementarmente, estudam-se ainda dois componentes hidroagrícolas
extremamente relevantes, por se tratar de uma disciplina do curso de
Agronomia: são as relações solo – água – planta e a gestão da água no
regadio.
Trata-se de um excelente programa, bem adequado à natureza do tema e
ao objetivo agronómico do seu estudo. O presente livro, com o
desenvolvimento que dá ao programa, constituirá por certo uma
ferramenta preciosa no apoio ao trabalho dos estudantes. Deve contudo
notar-se que o tratamento dado ao tema da Hidrologia Agrícola ao longo
dos diferentes capítulos, equilibrando sabiamente o aprofundamento
científico de cada um dos temas específicos com a apresentação sóbria e a
exposição clara e com a orientação para a compreensão efetiva dos
problemas hidroagrícolas e agronómicos, confere a este livro interesse
muito grande para estudantes de outras disciplinas afins ao estudo dos
recursos hídricos e para técnicos e profissionais interessados na vastíssima
problemática da Hidrologia e dos Recursos Hídricos.
Universidade de Évora, Novembro de 2012.
Ricardo Paulo Serralheiro
Professor Catedrático
Índice
Capítulo 1
Ciclo Hidrológico
1. Conceitos gerais
2. Equação clássica da hidrologia
3. Distribuição da água na Terra
4. Referências Bibliográficas
1
2
3
4
Capítulo 2
Bacia hidrográfica
1. Conceitos gerais
2. Delimitação de uma bacia hidrográfica
3. Caracterização fisiográfica da bacia hidrográfica
3.1 Características geométricas
3.1.1. Área de drenagem
3.1.2. Forma da bacia
Coeficiente de compacidade
Fator de forma
3.2 Características do sistema de drenagem
3.2.1. Constância do escoamento
3.2.2. Classificação dos cursos de água
Classificação decimal
Classificação Horton-Strahler
3.2.3. Densidade de drenagem
3.3 Características do relevo
3.3.1. Altitude média
3.3.2. Altura média
5
7
7
8
8
8
9
9
10
10
11
11
12
13
13
14
14
3.3.3. Curva hipsométrica
3.3.4. Retângulo equivalente
3.3.5. Índice de declive da bacia
3.3.6. Perfil longitudinal do curso de água
3.3.7. Declive médio do curso de água
3.4. Tempo de concentração
3.5. Geologia, solos e coberto vegetal
4. Exemplo de aplicação
5. Referências Bibliográficas
14
16
17
18
18
18
19
20
21
Capítulo 3
Clima e estado do tempo. Fatores e elementos do clima.
Classificação do clima
1. Sistema climático, clima e estado do tempo
2. Cartas Sinópticas e normais Climatológicas
3. Variabilidade do tempo e do clima
4. Fatores do clima
4.1. Fatores externos ao sistema climático
4.1.1. Variação orbital da Terra
4.1.2. Atividade solar
4.1.3. Impacto de meteoritos
4.1.4. Deriva dos continentes e a tectónica de placas
4.1.5. Atividade vulcânica
4.2. Fatores internos ao sistema climático
4.2.1. Albedo
4.2.2. Composição atmosférica e variação da concentração dos seus componentes
4.2.3. Intercâmbio de energia entre massas de água e atmosfera
4.2.4 Circulação da atmosfera/massas de ar
4.2.5 Correntes marítimas
4.2.6 Continentalidade / Maritimidade
4.2.7 Fisiografia
4.2.8 Vegetação
4.2.9 Impactes antropogénicos
5. Elementos Climáticos
5.1. Generalidades
5.2. Radiação solar global e radiação líquida
23
24
25
27
28
28
30
31
31
32
32
33
34
36
37
39
40
41
41
42
46
46
46
5.3. Insolação e Nebulosidade
5.4. Temperatura do ar
5.5. Precipitação
5.6. Humidade do Ar
5.7. Evaporação e evapotranspiração
5.8. Pressão atmosférica
5.9. Vento
6. Classificações climáticas
6.1. Tipos de Classificações
6.2. Classificação Climática de Köppen
6.3. Classificação Racional dos Climas de Thornthwaite
7. Exercícios
8. Referências Bibliográficas
ANEXOS
LISTA DE SIMBOLOS
48
49
50
51
54
55
57
58
58
60
66
69
71
74
78
Capítulo 4
Precipitação
1. Generalidades
2. Classificação das precipitações
2.1 Precipitações convectivas
2.2 Precipitação orográficas
2.3 Precipitações ciclónicas ou frontais
3. Medição da precipitação
3.1 Aparelhos de medição da precipitação
3.2 Rede udométrica
3.3 Precipitação em área
4. Distribuição espaço-temporal da precipitação
4.1 Estruturas espaço-temporais da precipitação
4.2 Tendência da variação espacial
4.3 Postos udométricos virtuais.
5. Preenchimento de falhas nos registos
5.1 Média aritmética
5.2 Rácio médio (U.S. Weather Bureau)
5.3 Inverso da distância
5.4 Correlação
81
83
83
83
84
85
86
89
91
93
94
95
97
98
99
99
99
99
6. Análise da qualidade dos dados
6.1 Verificação da consistência
6.2 Verificação da homogeneidade
7. Distribuição temporal da precipitação
7.1 Análise de séries de precipitação anual
7.2 Análise das séries de precipitação mensal
8. Precipitações intensas
8.1 Introdução
8.2 Curvas de possibilidade udométrica
8.3 Relação entre a precipitação, duração e a área
8.4 Hietograma de projeto
9. Referências Bibliográficas
100
100
103
105
105
106
108
108
110
111
112
118
Capítulo 5
Escoamento Superficial
1. Conceitos gerais
2. Processo de escoamento
3. Componentes do escoamento
4. Fatores do escoamento
4. 1. Fatores climáticos
Fatores relativos à precipitação
Fatores condicionantes da evapotranspiração
4. 2. Fatores fisiográficos
5. Medição do escoamento de superfície
5.1. Método da secção - velocidade
5.2. Método estrutural
6. Curva de Vazão
7. Registo dos níveis hidrométricos
7.1. Estabelecimento de uma rede hidrométrica
7.2. Estimação do escoamento na ausência de medições hidrométricas
8. Exemplos de aplicação
9. Referências Bibliográficas
119
120
122
123
123
123
123
124
124
125
128
128
130
130
131
132
132
Capítulo 6
Águas Subterrâneas e Agricultura
1. Introdução
2. Caraterização dos aquíferos
3. Caraterísticas hidráulicas dos recursos hídricos subterrâneos
4. Uso da água subterrânea na agricultura
5. Qualidade da água subterrânea para rega
6. Contaminação de águas subterrâneas por atividades agrícolas
6.1 Comportamento hidroquímico do azoto (N)
7. Conclusões
8. Exercícios
9. Referências Bibliográficas
133
136
138
141
144
146
147
150
151
151
Capítulo 7
Relações Solo-Água-Planta
1. Introdução
2. Água, solo e planta
2.1 Molécula e propriedades da água
2.2 Arquitetura do solo
2.2.1 Textura
2.2.2 Estrutura
2.2.3 Massa volúmica real, aparente e porosidade do solo
2.3 Arquitetura da planta
3. Indicadores de teor de água
3.1 Teor de água no solo
3.1.1 Humidade gravimétrica
3.1.2 Humidade volumétrica
3.1.3 Grau de saturação
3.1.4 Perfil hídrico e volume de água armazenado no perfil do solo
3.2 Teor de água na planta
3.2.1 Percentagem de água
3.2.2 Conteúdo hídrico relativo
4. Indicadores do estado energético da água
153
153
154
155
158
161
163
167
171
172
173
174
174
175
176
177
177
177
4.1 Potencial energético da água no solo
4.1.1 Potencial e carga hidráulica
4.1.2. Potencial e carga hidráulica em meio poroso saturado
4.1.3 Potencial e carga hidráulica em meio poroso não saturado
4.1.3.1 Relações entre teores de humidade e potencial de água no solo
4.1.3.2 Valores especiais de humidade e de potencial
4.2 Potencial energético da água na planta
4.2.1 Potencial Osmótico
4.2.2 Potencial de Pressão
4.2.3 O Potencial Hídrico
5. Fluxos e transporte de água
5.1 Conceitos
5.2 Fluxos por difusão – Processos de absorção e transpiração
5.3 Fluxos de massa
5.3.1 Movimento de água em solo saturado
5.3.2 Movimento de água em solo não saturado
5.3.3 Movimento de água no xilema e no floema
6. Referências Bibliográficas
178
178
180
180
181
183
183
185
186
186
190
190
191
196
196
197
199
203
Capítulo 8
Evaporação e evapotranspiração
1. Definições
2. Fatores intervenientes
2.1 Fatores climáticos
2.2 Fatores físicos
2.3 Fatores da vegetação
2.4 Fatores do solo
3. Medição da evaporação e da evapotranspiração
3.1 Evaporímetros de tina ou de tanque
3.2 Atmómetros
4. Cálculo da evaporação por meio de balanço hidrológico
5. Medição da evapotranspiração
6. Fórmulas empíricas para determinação da evapotranspiração
6.1 Fórmula de Thornthwaite
6.2 Fórmula de Turc
6.3 Método de Penman Modificado
205
207
207
208
208
209
209
209
211
213
213
214
214
216
217
6.4 Método de Penman-Monteith
7. Evapotranspiração cultural
8. Evapotranspiração real
9. Referências Bibliográficas
220
222
222
223
Capítulo 9
Gestão da água no Regadio
1. Introdução
2. Gestão com base na evapotranspiração
2.1. Recolha de informação para gestão com base na evapotranspiração
2.2. Cálculo do Kc com base em índices de vegetação
3. Gestão com base no teor de água no solo
3.1. Gestão baseada no balanço hídrico do solo
3.2. Gestão baseada na medição direta de água no solo
3.3. Gestão baseada na medição indireta de água no solo
Bolbo de porcelana e tensiómetros
Condutividade elétrica: Watermark
Sondas TDR e Capacitivas
4. Gestão com base no estado hídrico da planta
225
226
228
229
230
230
234
234
235
236
236
237
Tensão da água na planta, \w
Temperatura folhar
5. Exercícios
6. Referências Bibliográficas
ANEXOS
237
238
241
243
243